[发明专利]一种催化氧化合成N-甲基氧化吗啉的方法

说明书

本发明属于催化氧化合成技术领域，公开了一种催化氧化合成N‑甲基氧化吗啉(NMMO)的方法，在常压、40～90℃的条件下，以碱性多孔碳作为催化剂，催化N‑甲基吗啉(NMM)和过硫酸盐反应合成NMMO，反应时间为2～8h，其中，催化剂用量为反应溶液质量的0.1～5wt.％。本发明采用过硫酸盐代替传统H₂O₂作为氧化剂，采用碱性多孔碳代替均相碱溶液作为催化剂。过硫酸盐相比于H₂O₂，氧化性更强、运输贮存更方便和成本低廉，碱性多孔碳相比于均相碱溶液，易于后续的分离提纯，且具有丰富孔结构和表面多种官能团，能有效缓和反应条件，提高了过硫酸盐催化氧化合成N‑甲基氧化吗啉的活性，方法简单、易于操作、适于工业化生产。

技术领域

本发明属于催化氧化合成技术领域，尤其涉及一种基于碱性金属改性的氮掺杂多孔碳催化过硫酸盐氧化合成N-甲基氧化吗啉的方法。

背景技术

N-甲基氧化吗啉(NMMO)是一种叔胺类氧化物，常用做生产Lyocell纤维的溶剂。Lyocell纤维工艺作为一种绿色的纤维生产工艺，其产量将超过目前化纤最大的品种涤纶，经济效益显著，这必然带动NMMO的进一步发展。因此，开发NMMO的高效合成工艺对纺织工业发展具有重要现实意义，同时也为我国Lyocell纤维的快速发展提供原料支撑。目前，工业上合成NMMO的主要工艺是以H₂O₂作为氧化剂，首先，在碱性催化剂(NaOH、Na₂CO₃溶液等)的作用下催化氧化N-甲基吗啉(NMM)合成NMMO；之后经过加苯精馏脱水和丙酮重结晶得到NMMO，是一种成熟经典地制备叔胺氧化物的方法。

然而，现有技术存在的问题及缺陷在于(1)氧化剂H₂O₂极易分解，不易贮存，要得到高收率的N-甲基氧化吗啉往往需要添加过量的H₂O₂，造成氧化剂大量损耗，增加了制造成本与生产风险；(2)在这个合成过程中，一方面合成反应和H₂O₂分解反应会产生大量水，同时另一方面由于使用的是30％H₂O₂，使得原料中也将带入大量水分，加大后续减压蒸馏和共沸精馏的分离提纯压力，而长时间精馏操作也会对N-甲基氧化吗啉质量产生影响；(3)该工艺生产会产生较多的废水，增加废水处理成本；(4)传统上氧化叔胺一般选用均相催化剂进行催化反应，反应条件相对苛刻，催化剂回收困难，副反应较多，从而使得N-甲基氧化吗啉的收率偏低的问题。

因此，针对现有工业上合成NMMO存在的不足，解决以上问题及缺陷的关键在于：(1)开发得到一种高效的氧化剂来代替H₂O₂，减少整个过程中水的引入，以及解决H₂O₂储运困难的问题；(2)开发一种高效的多相碱性催化剂来代替传统的均相碱溶液催化剂，实现催化剂的有效回收以及避免杂质的引入。

以上两个关键问题如果能够有效解决，将有助于实现NMMO的高效绿色合成，实现整个过程的节能减排，对推动我国Lyocell纤维工艺的发展具有重要现实意义。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种催化氧化合成N-甲基氧化吗啉的方法。

本发明具体是这样实现的，一种催化氧化合成N-甲基氧化吗啉的方法包括：

在常压、40～90℃的条件下，以碱性多孔碳作为催化剂，催化NMM和过硫酸盐反应合成NMMO，反应时间为2～8h，其中，催化剂用量为反应溶液质量的0.1～5wt.％。

进一步，所述催化氧化合成N-甲基氧化吗啉的方法具体包括：

在常压、70℃的条件下，以碱性多孔碳作为催化剂，催化N-甲基吗啉和过硫酸盐反应合成N-甲基氧化吗啉，反应时间为5h，其中，催化剂用量为反应溶液质量的1wt.％。